Ein Team von Ingenieuren und Ärzten an der University of California in San Diego hat ein Gerät zur nicht-invasiven Messung der zervikalen Nervenaktivität beim Menschen entwickelt, ein neues Instrument, von dem sie sagen, dass es potenziell Informationen und Behandlungen für Patienten mit Sepsis, einer lebensbedrohlichen Reaktion, liefern und verbessern könnte Infektion und psychische Erkrankungen wie posttraumatische Belastungsstörung (PTSD).
Das Gerät wird in der Ausgabe von Scientific Reports vom 14. November 2022 beschrieben.
„Zum ersten Mal haben wir zervikale elektroneurografische Beweise für autonome (Kampf oder Flucht versus Ruhe und Verdauung) Biotypen identifiziert, die bemerkenswert konsistent über verschiedene Herausforderungen des autonomen oder unwillkürlichen Nervensystems hinweg sind“, sagte der leitende Autor Imanuel Lerman, MD, klinischer Professor für Anästhesiologie an der UC San Diego School of Medicine, mit zusätzlichen Terminen am UC San Diego Qualcomm Institute, der UC San Diego Jacobs School of Engineering und dem VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.
Die Forschung baut auf den zahlreichen und grundlegenden Rollen des zervikalen Vagusnervs auf, dem oberen Teil des Vagusnervs, der vom Darm zum Gehirn verläuft, Informationen über den Status der umgebenden inneren Organe liefert und entscheidende Körperfunktionen wie Immunantwort und Verdauung überwacht und spielt eine Rolle bei wichtigen psychiatrischen Erkrankungen wie Stimmungs- und Angststörungen.
Das neue Gerät verfügt über eine flexible Anordnung von Elektroden, die sich von der unteren Vorderseite bis zum oberen Nackenrücken erstrecken und es den Forschern ermöglichen, die elektrische Aktivität über verschiedene Nerven zu erfassen. Eine integrierte Benutzeroberfläche ermöglicht die Visualisierung von Daten in Echtzeit, und ein benutzerdefinierter Algorithmus gruppiert Personen gemäß der Reaktion ihres Nervensystems auf Stress.
In der Vergangenheit erforderte die Messung der Nervenaktivität im Nacken oft das chirurgische Implantieren von Mikroelektroden. Lerman machte sich zusammen mit dem Co-Autor Todd Coleman, PhD, einem Professor am Department of Bioengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering, daran, eine weniger riskante und weniger invasive Methode zu entwickeln, indem er die vorhandene Technologie anpasste, die Coleman mit seinem Kollegen Jonas Kurniawan entwickelt hatte. PhD, Postdoktorand an der Stanford University. Das resultierende flexible Array kann bis zu einem Tag getragen werden und bewegt sich leicht mit den Kopf- und Nackenbewegungen des Patienten.
Um menschliche autonome Biotypen oder Gruppen von Patienten zu untersuchen, deren unwillkürliches Nervensystem ähnlich auf Stress reagierte, führten die Forscher eine Reihe von Tests durch, bei denen die Studienteilnehmer aufgefordert wurden, ihre Hand in Eiswasser zu legen und zu halten, gefolgt von einer zeitgesteuerten Atemübung. Das Array zeichnete zervikale Nervensignale oder zervikale Elektroneurographie auf, einschließlich der Herzfrequenz bei Probanden vor und nach sowohl der Eiswasser-Herausforderung als auch während der Atemübung.
Die Forscher fanden heraus, dass die Studienteilnehmer konsequent in zwei unterschiedliche Biotypgruppen fielen: diejenigen, deren neuronale Aktivität und Herzfrequenz während beider Tests zunahmen, und diejenigen, die den gegenteiligen Trend zeigten. Der einzigartige Algorithmus des Geräts identifizierte Unterschiede in der Reaktion spezifischer Nervencluster auf Stressoren wie Schmerzen, die durch das Eiswasser verursacht werden, und körperliche Symptome wie Schwitzen und erhöhte Herzfrequenz im Zusammenhang mit der zeitgesteuerten Atmungsherausforderung.
Die Ergebnisse sind spannend. Das Array war in der Lage, die Aktivität des autonomen Nervensystems aufzuzeichnen, und wir waren angenehm überrascht, eine konsistente autonome Reaktion über Stresstest-Herausforderungen hinweg zu beobachten. Es ist jedoch noch mehr Arbeit erforderlich, um unsere Sensorfähigkeiten in größeren Populationen zu demonstrieren.“
Todd Coleman, PhD, Professor, Institut für Bioingenieurwesen, UC San Diego Jacobs School of Engineering
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Obwohl das Elektrodenarray die genauen Nerven, die als Reaktion auf den Stress und die Schmerzen der Kaltwasserherausforderung feuern, nicht identifizieren konnte, hofften die Forscher, dass es eines Tages bei der Diagnose und Behandlung von Erkrankungen wie PTBS und Sepsis helfen wird. Beispielsweise löst der Vagusnerv als Reaktion auf Verletzungen oder Infektionen im Körper eine Entzündung aus, ein Mechanismus, der bei PTBS gestört werden kann. Die Autoren sagten, dass ihr neues Gerät Klinikern schließlich dabei helfen könnte, die Reaktion der Patienten auf eine Therapie für PTBS zu messen, wie z. B. tiefe Atemübungen, die während der Achtsamkeitsmeditation eingesetzt werden, indem es das neurale Feuern im Vagusnerv überwacht.
Lerman ist bereits einer von mehreren Forschern, die elektrische Vagusnervstimulation verwenden, um zu testen, ob die Stimulation dieser neuralen Strukturen Entzündungen und Schmerzen bei Menschen mit PTBS verringern kann.
Das Array könnte auch die Sicherheit von Piloten fördern, die Militärflugzeuge betreiben, indem es Schübe in der Nervenaktivität erkennt, die Schwindel oder Übelkeit auslösen.
In Krankenhäusern, schlagen die Autoren vor, könnte das Gerät helfen, Patienten zu erkennen, die für lebensbedrohliche Zustände wie Sepsis anfällig sind, indem es Personen identifiziert, die stark auf körperlichen Stress reagieren.
Sepsis tritt auf, wenn das körpereigene Immunsystem auf eine Infektion überreagiert und dabei sein eigenes Gewebe schädigt. Das Sterblichkeitsrisiko steigt mit der Zeit schnell an, sodass eine Technologie, die bei der Erkennung und Kennzeichnung von Risikopatienten im Krankenhaus hilft, den Ärzten eine Frühwarnung zur Verabreichung von Antibiotika geben und die Chancen eines Patienten verbessern würde, eine Sepsis zu vermeiden oder zu überleben.
Als nächsten Schritt planen die Forscher, das Array mit zusätzlicher Hardware für einen drahtlosen, tragbaren Sensor zu integrieren, der außerhalb des Labors eingesetzt werden kann. Die Forscher entwickeln derzeit Pläne für eine klinische Studie zum Nachweis von Sepsis im Krankenhaus.
Die Studie war eine interdisziplinäre Anstrengung, an der Forscher des UC San Diego Qualcomm Institute, der UC San Diego School of Medicine, der UC San Diego Jacobs School of Engineering (Elektro- und Computertechnik, Materialwissenschaft und -technik, Nanotechnik und Biotechnik) und der Abteilung beteiligt waren of Physics und der Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science sowie Fakultäten der Stanford University und des VA San Diego Healthcare System.
Zu den Co-Autoren gehören: Yifeng Bu, Jonas F. Kurniawan, Jacob Prince, Andrew KL Nguyen, Brandon Ho, Nathan LJ Sit, Timothy Pham, Vincent M. Wu, Boris Tjhia, Tsung-Chin Wu, Xin M. Tu und Ramesh Rao , alle an der UC San Diego; und Andrew J. Shin, Stanford University.
Die Finanzierung dieser Forschung kam teilweise von der Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) und dem David and Janice Katz Neural Sensor Research Fund in Memory of Allen E. Wolf.
Quelle:
Universität von Kalifornien, San Diego
Referenz:
Bu, Y., et al. (2022) Ein flexibles Elektrodenarray mit klebender Oberfläche, das während einer sequentiellen autonomen Stressherausforderung zur zervikalen Elektroneurographie fähig ist. Wissenschaftliche Berichte. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.
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